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表面织构自1966年提出以来,已被广泛地应用于生产、生活中。现有表面织构的研究主要集中在硬材料(金属、陶瓷)方面,然而随着加工技术的进步以及生产、生活的需要,织构化软材料(塑料、橡胶)逐渐成为新的研究热点。然而现有研究表明软材料的表面织构设计规律与硬材料存在不同。并且相比织构化硬材料在理论、试验方面的研究,织构化软材料的相关研究还处于起步阶段。同时,对于由软、硬材料组成的软材料摩擦副,其织构化设计规律还不明确,相关的理论、试验研究还较少。 本文首先利用数值模拟方法,建立表面织构化软、硬材料流体动压润滑模型,并分析其承载能力差异。其次利用ANSYS软件分析了织构化软材料摩擦副接触情况。再次对织构化软材料摩擦副的摩擦学性能进行了试验研究。然后利用光干涉法,对织构化软、硬材料的油膜厚度进行研究。最后对织构化软材料摩擦副的干摩擦性能进行了研究。 采用耦合弹性变形效应的表面织构油膜承载特性的计算表明:弹性模量对承载能力的影响较大。轻载条件下,织构化软材料表现出比织构化硬材料更加优异的承载能力。重载条件下,当深径比为0.01-0.02时,织构化硬材料的承载能力略高于织构化软材料。而当深径比为0.03-0.05时,织构化软材料的承载能力优于织构化硬材料的承载能力。 表面织构对软材料摩擦副表面应力以及变形的分析表明:表面织构的引入可能会带来接触表面应力的上升,以及“切削作用”的产生,从而给摩擦副带来不利影响。而织构化316不锈钢所引起的表面最大等效应力以及凸起变形的高度都远高于织构化UHMWPE的情况。 软材料摩擦副(UHMWPE/316不锈钢)的摩擦学综合试验的分析表明:轻载条件下,织构化UHMWPE的减摩效果要优于织构化316不锈钢的减摩效果,并且其各自表现出最佳减摩效果的织构几何参数存在一定差异。直径50~100μm、深度10~15μm、面积率24.9-29.9%的织构化UHMWPE试样表现出最佳的减摩效果;而直径50μm、深度5μm、面积率5-15.5%的织构化316不锈钢试样表现出最佳的减摩效果。重载条件下,只有织构化UHMWPE可以有效地减小摩擦因数,而织构化316不锈钢则表现出增加摩擦因数的作用。直径50μm、深度15μm、面积率19.9~29.9%的织构化UHMWPE试样表现出最佳的减摩效果。磨损方面,表现出最佳减摩效果的织构化UHMWPE(dp=50μm、hp=15μm、sp=29.9%)也可以有效地减小磨损,其磨损体积仅相当于无织构摩擦副磨损体积的36%。而织构化316不锈钢(dp=50μm、hp=15μm、sp=40.1%)虽然不能有效地降低摩擦因数,但仍能有效地减小磨损,其磨损体积仅相当于无织构摩擦副磨损体积的80%。 流体动压润滑条件下的表面织构化软、硬材料油膜厚度试验表明:轻载条件下,当面积率较低时,织构化PMMA的承载能力要高于织构化量块钢的承载能力。当面积率较高时,织构化量块钢的承载能力要高于织构化PMMA的承载能力。重载条件下,织构化PMMA的承载能力要高于织构化量块钢的承载能力。 干摩擦条件下的表面织构化软材料摩擦副(PDMS/316不锈钢)摩擦试验表明:织构化PDMS的减摩效果都要优于织构化316不锈钢的减摩效果。两种载荷下,所有的织构化PDMS试样都能有效地降低摩擦。 本文研究结果能够为表面织构化软材料摩擦副的设计、应用以及深入研究提供引导和参考。